專利名稱：基于微彎傳輸波導(dǎo)的馬赫－曾德干涉型傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感裝置，尤其涉及一種基于微彎傳輸波導(dǎo)的馬赫-曾德干涉型傳感裝置。
背景技術(shù)：
馬赫-曾德(M-Z)干涉儀由兩個(gè)3dB耦合器和兩個(gè)波導(dǎo)臂組成，其基本結(jié)構(gòu)為一對平行光波導(dǎo)，波導(dǎo)兩端分別連接一個(gè)3dB的Y形分束器。通過改變折射率，使光程相應(yīng)變化，形成相干增強(qiáng)或相消。利用馬赫-曾德(M-Z)干涉裝置進(jìn)行傳感，就是將其中一臂暴露在環(huán)境中，隨著外界參量的變化，如溫度、濃度、變形、應(yīng)力等的變化，改變了該臂傳輸光的有效折射率，使得輸出光的干涉結(jié)果產(chǎn)生變化，從而達(dá)到探測外界環(huán)境參量的目的。集成光學(xué)型的馬赫-曾德(M-Z)干涉裝置在化學(xué)和生物傳感方面擁有越來越多的應(yīng)用，具有設(shè)計(jì)制造簡單、生產(chǎn)誤差要求低等優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)有的馬赫-曾德(M-Z)干涉?zhèn)鞲衅鞔嬖陟`敏度不高的問題。外界參量變化引起的有效折射率的改變一般很小，雖然采用MZ干涉的方法，可以探測到這種變化，但其精度和靈敏度都不夠高。

發(fā)明內(nèi)容
為了能提高對環(huán)境折射率變化的靈敏度，本發(fā)明的目的是提供一種基于微彎傳輸波導(dǎo)的馬赫-曾德干涉型傳感裝置，將傳統(tǒng)的直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用彎折的傳輸波導(dǎo)代替，使傳輸光的有效折射率對環(huán)境變化更為敏感。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是其輸入光波導(dǎo)的一端與激光光源連接，輸入光波導(dǎo)的另一端與第一耦合器的一端連接，第一耦合器的另一端分別接彎折的傳感光波導(dǎo)臂和彎折的參考光波導(dǎo)臂的一端，彎折的傳感光波導(dǎo)臂和彎折的參考光波導(dǎo)臂的另一端接第二耦合器的一端，第二耦合器的另一端接輸出光波導(dǎo)，彎折的傳感光波導(dǎo)臂的外側(cè)裝有傳感樣品池，彎折的參考光波導(dǎo)臂的外側(cè)裝有標(biāo)準(zhǔn)樣品池，整個(gè)裝置在基板上。
本發(fā)明具有的有益的效果是由于使用了彎折的傳輸波導(dǎo)，使更多的光能量進(jìn)入探測區(qū)中待探測物質(zhì)中傳播，使得環(huán)境物質(zhì)的折射率對傳輸光的有效折射率的貢獻(xiàn)權(quán)重提高，因此對探測區(qū)折射率的變化更為敏感；并且，采用專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，對微彎結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)幅值和周期進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大幅度提高傳感裝置對環(huán)境參量變化的靈敏度，提高測量結(jié)果的信噪比。同時(shí)在參考臂一側(cè)放置了標(biāo)準(zhǔn)樣品，使得在傳感臂和參考臂中傳輸?shù)墓饩哂邢嘟膿p耗和相位變化，可進(jìn)一步提高探測的靈敏度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是不同形狀微彎結(jié)構(gòu)的歸一化光強(qiáng)輸出；圖3是固定微彎結(jié)構(gòu)周期不變時(shí)，幅值變化對敏感度的影響；圖4是固定微彎結(jié)構(gòu)振幅為2.5um，其周期變化對敏感度的影響；圖5是典型直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的對比。
圖中1、輸入光波導(dǎo)，2、5.3dB耦合器，3.傳感光波導(dǎo)臂，4.傳感樣品池，6.輸出光波導(dǎo)，7.參考光波導(dǎo)臂，8.標(biāo)準(zhǔn)樣品池，9.基板。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的輸入光波導(dǎo)1的一端與激光光源連接，輸入光波導(dǎo)1的另一端與第一耦合器2的一端連接，第一耦合器2的另一端分別接彎折的傳感光波導(dǎo)臂3和彎折的參考光波導(dǎo)臂7的一端，彎折的傳感光波導(dǎo)臂3和彎折的參考光波導(dǎo)臂7的另一端接第二耦合器5的一端，第二耦合器5的另一端接輸出光波導(dǎo)6，彎折的傳感光波導(dǎo)臂3的外側(cè)裝有傳感樣品池4，彎折的參考光波導(dǎo)臂7的外側(cè)裝有標(biāo)準(zhǔn)樣品池8，整個(gè)裝置在基板9上。
所說的彎折的傳感光波導(dǎo)臂3和彎折的參考光波導(dǎo)臂7，其彎折曲線為正弦曲線或三角曲線或圓錐曲線。
光源發(fā)出的光通過輸入光波導(dǎo)1，經(jīng)過一個(gè)3dB耦合器2分為相位相同、幅值相等的兩束光，一路進(jìn)入彎折的傳感光波導(dǎo)臂3，一路進(jìn)入彎折的參考光波導(dǎo)臂7。在傳感光波導(dǎo)臂3中傳輸?shù)墓?，其有效折射率隨著傳感樣品池4內(nèi)待分析物質(zhì)折射率的變化而產(chǎn)生明顯的變化，從而改變了在這一路中傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度和相位，使得光在通過傳感光波導(dǎo)臂3后帶上了待分析物質(zhì)的信息。而在參考光波導(dǎo)臂7中傳輸?shù)墓獗３衷陬A(yù)先設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和相位。兩束光通過第二個(gè)3dB耦合器5，耦合成一束光，形成干涉結(jié)果，然后由輸出光波導(dǎo)6輸出，最后可由光電探測裝置接收，所以由輸出光波導(dǎo)6輸出的光強(qiáng)將隨著傳感樣品池4內(nèi)待分析物質(zhì)折射率的變化而改變。為了進(jìn)一步提高探測的靈敏度，在參考光波導(dǎo)臂7一側(cè)也放置一個(gè)與傳感樣品池4結(jié)構(gòu)相同的標(biāo)準(zhǔn)樣品池8，放置經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)樣品，可以使在參考光波導(dǎo)臂7傳輸?shù)墓馀c在傳感光波導(dǎo)臂3中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和相位的變化，使得從兩臂輸出的光更接近，以提高相干靈敏度。
根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)制作光刻的掩模板，在玻璃基板上利用光刻將圖形轉(zhuǎn)移到金屬掩模上，通過如離子交換工藝制成設(shè)計(jì)的特定結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。刻蝕出探測區(qū)的腔體和參考樣品池，分別放置待分析的物質(zhì)(液體或氣體)和經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)樣品。
經(jīng)過三維有限差分光束傳輸法(3D-FDBPM)的模擬，可以證實(shí)當(dāng)樣品的折射率在一定范圍內(nèi)時(shí)，彎折波導(dǎo)構(gòu)成的MZ干涉儀比直波導(dǎo)構(gòu)成的MZ干涉儀有更高的靈敏度。模擬中使用的是脊形的玻璃離子交換波導(dǎo)，波導(dǎo)襯底折射率nb＝1.5151，Δn＝0.008，樣品折射率取值范圍為1.3-1.46。
如圖2所示為不同形狀微彎結(jié)構(gòu)的歸一化光強(qiáng)輸出，由圖2可見，在微彎結(jié)構(gòu)部分采用正弦曲線的形狀時(shí)，與其它彎曲曲線進(jìn)行對比，對應(yīng)于相同的折射率變化時(shí)，其輸出光強(qiáng)的變化量最大(如實(shí)線所示)。
如圖3所示為固定微彎結(jié)構(gòu)周期不變時(shí)，幅值變化對敏感度的影響，由圖3可見，微彎結(jié)構(gòu)確定為正弦曲線形狀，其正弦幅值越大，敏感度越高，但是此時(shí)損耗也會(huì)隨著增大。
如圖4所示為固定微彎結(jié)構(gòu)振幅為2.5um，其周期變化對敏感度的影響，由圖4可見，微彎結(jié)構(gòu)確定為正弦曲線形狀，在微彎部分的周期變化時(shí)，敏感度并不是與周期的變化呈線性關(guān)系的，不是“周期越短，敏感度越高”的簡單關(guān)系。
如圖5所示為典型直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的結(jié)構(gòu)對比，由圖5可見，當(dāng)環(huán)境折射率在1.30到1.46范圍內(nèi)變化時(shí)，彎折波導(dǎo)構(gòu)成的MZ干涉儀比直波導(dǎo)構(gòu)成的MZ干涉儀有更高的靈敏度。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化以后，新穎微彎結(jié)構(gòu)MZ干涉儀的靈敏度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了1倍多。所以，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性是很明顯的。
權(quán)利要求
1.一種基于微彎傳輸波導(dǎo)的馬赫-曾德干涉型傳感裝置，其特征在于輸入光波導(dǎo)(1)的一端與激光光源連接，輸入光波導(dǎo)(1)的另一端與第一耦合器(2)的一端連接，第一耦合器(2)的另一端分別接彎折的傳感光波導(dǎo)臂(3)和彎折的參考光波導(dǎo)臂(7)的一端，彎折的傳感光波導(dǎo)臂(3)和彎折的參考光波導(dǎo)臂(7)的另一端接第二耦合器(5)的一端，第二耦合器(5)的另一端接輸出光波導(dǎo)(6)，彎折的傳感光波導(dǎo)臂(3)的外側(cè)裝有傳感樣品池(4)，彎折的參考光波導(dǎo)臂(7)的外側(cè)裝有標(biāo)準(zhǔn)樣品池(8)，整個(gè)裝置在基板(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微彎傳輸波導(dǎo)的馬赫-曾德干涉型傳感裝置，其特征在于所說的彎折的傳感光波導(dǎo)臂(3)和彎折的參考光波導(dǎo)臂(7)，其彎折曲線為正弦曲線或三角曲線或圓錐曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微彎傳輸波導(dǎo)的馬赫－曾德干涉型傳感裝置。輸入光波導(dǎo)的一端與激光光源連接，其另一端與第一耦合器的一端連接后，分別接彎折的傳感光波導(dǎo)臂和彎折的參考光波導(dǎo)臂的一端，再經(jīng)第二耦合器接輸出光波導(dǎo)，傳感光波導(dǎo)臂的外側(cè)裝有傳感樣品池，參考光波導(dǎo)臂的外側(cè)裝有標(biāo)準(zhǔn)樣品池。由于使用了彎折的傳輸波導(dǎo)，使更多的光能量進(jìn)入探測區(qū)中待探測物質(zhì)中傳播，對探測區(qū)折射率的變化更為敏感；采用軟件，對微彎結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，幅值和周期進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅度提高傳感裝置對環(huán)境參量變化的靈敏度和信噪比。在參考臂一側(cè)放置了標(biāo)準(zhǔn)樣品，在傳感臂和參考臂中傳輸?shù)墓饩哂邢嘟膿p耗和相位變化，可進(jìn)一步提高探測的靈敏度。
文檔編號G02B6/26GK1544966SQ20031010857
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月11日
發(fā)明者邸岳淼, 何賽靈 申請人:浙江大學(xué)